Лекции Рубина (1123233), страница 21

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 21)

В реальных условиях амплитуды изгибных флуктуаций могут дос­тигатьнесколькихангстрем,авременарелаксациилежатвмикросекундном диапазоне.Таким образом, в белке имеется набор связанных элементов, суще­ственно различающихся по временам релаксации. Наиболее быстрые имелкомасштабные флуктуации присущи боковым группам. Эти группыобразуют жидкоподобную опушку вокруг спиральных участков полипеп­тидного каркаса и играют роль демпфирующей среды.

Иерархия во вре­менах релаксаций позволяет представить динамику белковой глобулыкак флуктуации в жидкоподобной капле, армированной упругим поли­пептидным каркасом. Зависимость скорости реакции в белках от вязко­стирастворителяможнопонятьнаосновеэтихпредставлений.Диффузия лигандов внутри глобулы происходит лишь при образованиифлуктуационных полостей или "дырок". Появление "дырки" внутри гло­булы может быть инициировано образованием ее вначале в растворителена поверхности глобулы. Вероятность этого процесса обратно пропор-113циона вязкости растворителя.

За счет конформационных движений по­верхностная группа белка заполняет "дырку" в растворителе. Тем самым"дырка" теперь оказывается уже в наружном слое белка. Далее, за счетдвижений групп второго и третьих слоев "дырка" диффундирует внутрьглобулы, обеспечивая появление дополнительных флуктуационных по­лостей. Форма этих полостей в белке, как мы видели, не произвольна, аимеет вид флуктуирующих щелей, параметры которых определяютсягеометрией жестких элементов белкового каркаса. Решение диффузион­ных уравнений позволяет вычислить скорость диффузии частиц черезсистему таких флуктуирующих щелей. Так, при диффузии в миоглобинелиганд СО должен пройти несколько "ворот", которые открываются засчет конформационных движений.

Скорость диффузии зависит от диа­метра лиганда, амплитуды флуктуации и времени релаксации щели,котораявсвоюочередьопределяетсяжесткостьюимикровязкостьюстенок. Для миоглобина расчетные и экспериментальные данные совпа­ли. В частности, оказалось, что общее время прохождения СО в миогло­бинесоставляет710-сисоответствуетсложениювременконформационных релаксаций нескольких ворот в глобуле. Отметим,что в жесткой молекуле белка, где отсутствуют внутримолекулярныедвижения и структурные флуктуации, диффузия лиганда должна бытьсопряжена с преодолением больших активационных барьеров (до100ккал/моль). Эти барьеры настолько замедлят движение лиганда, что онопрактически станет бесконечно медленным в масштабах биологическоговремени.

Иными словами, в реальных биополимерах с плотной упаков­кой именно структурные флуктуации делают возможным перенос лиган­дов внутри молекулы, что важно для ее функциональной активности.Более сложные виды кооперативных релаксационных процессов вбелке мы рассмотрим позднее в связи с механизмами ферментативногокатализа.Численное моделирование динамики белка-сравнительноновое направление в молекулярной биофизике. В предыдущих лекцияхбьшо показано, что конформационная энергия белка определяется атом­атомными взаимодействиями и описывается специальными потенциаль­ными функциями. В результате можно получить энергетические карты,на которыхвидныусредненныекоординатыатомов,соответствующиеусловиям минимума общего конформационного потенциала.

Подобнуюкартину дает и метод рентгеноструктурного анализа, с помощью которо­го определяют среднестатистические положенияатомов вбелковойструктуре. Однако такими способами невозможно проследить за движе­ниями и флуктуациями положения отдельных атомов, которые лежат воснове конформационных флуктуаций и переходов в белках. В методечисленного моделирования динамики белка для отдельных атомов непо­средственнорешаютсяклассическиеуравнениядвижения,вкоторыхдвижущие силы определены из известных потенциальных функций атом­атомных взаимодействий. Исходные координаты тяжелых атомов (неводородных) задаются по рентгеноструктурным данным, причем в на-114чальный момент времени скорости их движения считаются равными вразличных, случайно выбранных направлениях.

Начальные ускорениядвижения вычисляются как первые производные сил, действующих наатомы в исходнойструктуре.Затем,на электронно-вычислительныхмашинах производится решение системы уравнений движения для всехатомов. Численное решение этих уравнений представляет собой траекто­рии движенияотдельных атомови дает совокупнуюкартину развитияструктурных флуктуаций во времени. Пока еще удается проследить задвижениями атомов на коротком отрезке времени отt = от О до ~ 200 пс12(1 пс= 10- с), что обусловлено в основном большим объемом вычисле­ний.В качестве примера приведем результаты моделирования внутрен­ней динамики белка-ингибитора трипсина (ИТ) панкреатической желе­зы, молекула которого содержит454тяжелых атома.

Оказалось, чтореальные флуктуации положений атомов в белке по отношению к усред­ненной во времени структуре составляют для а-углеродных 0,6 А и 0,75А для всех остальных атомов. Наблюдаются также флуктуации в значе­ниях двугранных углов ер и \jf вращения в пептидной цепи в пределах200и для углаroв пределахзатухают в течение1-27-9°.10-Эти флуктуации положений быстропс. Однако имеются и долгоживущие, до20пс,флуктуации в положении а-углеродных атомов, которые, по-видимому,отражают конформационные переходы в белке.

Регулярность флуктуа­ционных движений нарушается тем значительнее, чем чаще атомнаягруппа испытывает столкновения с другими атомами своего микроокру­жения. В пределах общего широкого конформационного минимума вбелке совершаются спонтанные переходы из одного микросостояния вдругое за счет тепловой энергии, например, вращение ароматическогокольца тирозина в молекуле ИТ. Моделирование на ЭВМ этого процессапоказало, что сам переход через потенциальный барьер происходит са­мопроизвольно, а не за счет сильных активационных соударений с ато­мами микроокружения кольца.

Кольцо тирозина пересекает барьер завремя ~ 1 пс по определенной траектории, а толчки микроокружениятолько стремятся "отвести" кольцо от барьера и "сбить" его с естествен­ной траектории спонтанного перехода. Флуктуации положений отдель­ных атомов в белке коррелируют друг с другом, что может привести кбольшим по масштабу структурным сдвигам и конформационным пере­стройкам. Флуктуационные "дрожания" атомов создают условия и пред­посьшкидляфункциональнонаправленныхконформационныхпереходов в белках. Мы еще пока далеки от построения детальной кар­тины динамики белка. Однако уже сейчас можно сделать некоторыеобщие выводы, основанные на сопоставлении теоретических и экспери­ментальных результатов по внутримолекулярной подвижности и ее ролив функциональной активности белка. Атомные группы в белке испыты­вают на себе действие различных сил (кулоновские, ван-дер-ваальсовывзаимодействия), а также случайных "тепловых" толчков со сторонысоседних групп.

Кроме того, они могут участвовать и в нормальных ко-115лебаниях, когда небольшие смещения атомов от положения равновесияносят гармонический характер. Наблюдаются также сравнительно ред­кие "прыжки" с преодолением активационных барьеров. Вообще говоря,каждая атомная группа может участвовать в различных движениях, такчто общее смещение атома зависит сложным образом от вкладов различ­ных сил. В большинстве белков амплитуда флуктуаций растет при удале­нии от центра к периферии молекулы. Для атомовсреднеквадратичные смещения составляютных боковых цепях - околоосновной цепи20,4 А, а для атомов на длин­1,5 А.

Элементы вторичной структуры (а иимеющие водородные связи, характеризуются меньшими флуктуа­13),циями, чем другие, "неорганизованные", части белка. Широкие вариацииамплитуд флуктуаций указывают на гетерогенность белка и наличиеучастков, различающихся по подвижности и гибкости. В отличие отостатков, находящихся внутри молекулы белка, движение боковых цепей,особенно содержащих заряженные группы, подвержено сильному влия­нию окружающей среды (растворителя). Само по себе движение атомовносит анизотропный характер, когда случайные флуктуации сильно от­личаются(иногда впо2амплитудамвзависимостиотнаправлениясмещенияраза). Направление наибольшего смещения атома определя­ется особенностями крупномасштабных коллективных взаимодействийэтого атома и соседних групп.

Такие кооперативные движения происхо­дят за долгое время(~0,2::::>:10пс по сравнению с локальными смещениямипс). Корреляция мелких флуктуационных смещений приводит кпоявлению кооперативных крупномасштабных движений, включающихбольшое число атомов. Мелкие смещения играют еще роль "смазки",облегчающей крупномасштабные смещения, когда происходит вовлече­ние белковых доменов уже за более длинные ("физиологические") вре­мена.Именноколлективныедвиженияважнывпроцессефункционирования белка, при котором происходят направленные сме­щения его структурных элементов, необходимые для достижения актив­ной конформации.116ЛекцияМИГРАЦИЯ ЭНЕРГИИ И11.ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНА В БИОСТРУКТУРАХДо сих пор мы рассматривали внутримолекулярную подвижностьбелков, которая носит самопроизвольный характер и обусловлена тепло­вым движением.

Однако участие белков в метаболических процессах имеханизмы функциональной активности всегда связаны с изменением ихэлектронного состояния. Именно этот фактор индуцирует в белке опре­деленные конформациюнные переходы, направленные к достижениюнового равновесия с минимумом конформационной энергии, котороесоответствуетизмененномуэлектронномусостояниюмакромолекулы.Сами электронные переходы и изменение электронного состояния био­полимеров происходят намного быстрее, чем вызванные ими конформа­ционные перестройки. Поэтому в первом приближении электронные иконформационные переходы можно рассматривать отдельно. Электрон­ные переходы в биополимерах имеют самостоятельное значение в целомряде важнейших биологических процессов.

Характеристики

Список файлов лекций